Prozessüberwachung Körperschall überwacht Qualität im Fertigungsprozess

Die Prozessüberwachung per Körperschall ist eine einfache Methode zur Sicherstellung der Bauteilqualität in der Serienfertigung und lässt sich problemlos in Bearbeitungsmaschinen integrieren, wie Untersuchungen am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie zeigen.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Der wesentliche Vorteil bei der Verwendung des Körperschalls zur Prozessüberwachung ist in dem sehr einfachen Messaufbau (Bild 1 – siehe Bildergalerie) bei gleichzeitiger hoher Messempfindlichkeit zu sehen. Für die durchgeführten Untersuchungen wurden verschiedene Körperschallsensoren der Unternehmen Vallen, Dittel Messtechnik und Physical Acoustics verwendet, die sich durch eine sehr kleine Baugröße auszeichnen.

Sensoren zur Körperschall-Messung in direkter Nähe zum Zerspanungsprozess

In Zusammenhang mit der Unempfindlichkeit in Bezug auf Kühlschmiermittel und Späne können die verwendeten Sensoren in der direkten Nähe zum Prozess, zum Beispiel auf dem Meißelhalter, appliziert werden. Dadurch wird die Messempfindlichkeit weiter erhöht, indem von außen eingekoppelte Störsignale unterdrückt werden, was besonders in der Präzisionsfertigung von Bedeutung ist, weil dort mit geringen Zustellungen gearbeitet wird.

Als nächstes Glied in der Messkette werden Vorverstärker benötigt, die ebenfalls nah am Sensor angebracht werden sollten, um die Kabellänge, über die Störsignale eingekoppelt werden können, zu verringern. Das abschließende Glied stellt eine Auswertelektronik in Form eines Industrie-PC oder einer entsprechenden Hardware dar, die über eine hohe Abtastrate von 20 MHz verfügen sollte, da die Körperschallsignale bis in einen Frequenzbereich von 500 kHz aufgezeichnet werden müssen.

Definierte Grenzwerte legen den Prozesszustand fest

Am Markt verfügbare Systeme zur Prozessüberwachung mittels Körperschall basieren auf einfachen Filterungen und anschließenden Mittelwertbildungen sowie Hüllkurvenberechnungen des Rohsignals. Anhand von vorher definierten Grenzwerten wird der Prozesszustand festgelegt und eine entsprechende Reaktion des Maschinensystems eingeleitet. Weil jedoch viele Faktoren und Prozessgrößen im Körperschallsignal abgebildet werden, lässt sich eine Entscheidung beispielsweise hinsichtlich des Werkzeugverschleißes nicht abbilden.

Aus diesem Grund wurden in einem von der AiF geförderten Forschungsprojekt 15208 N am Fraunhofer- IPT verschiedene Fertigungsprozesse hinsichtlich auftretender Signifikanzen im Körperschallsignal untersucht. Dazu wurde das Körperschallsignal zunächst mittels einer Kurzzeit-Fast-Fourier-Transformation in den Frequenzbereich überführt.

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